日本第一熱研（Daiichi Nekkensha）的超聲波氣體濃度檢測技術基于聲學特性與氣體物理性質的關聯，通過測量超聲波在混合氣體中的傳播速度反推氣體濃度。其核心原理及技術實現細節如下：
一、物理基礎：聲速與氣體性質的關聯
根據理想氣體定律和聲學理論，超聲波在氣體中的傳播速度 v 與氣體的熱力學性質密切相關，公式為：v=MγRT其中： γ 為氣體絕熱指數（與分子自由度相關），
R 為通用氣體常數，
T 為絕對溫度，
M 為混合氣體的平均摩爾質量。
對于二元混合氣體（如 He/N2），平均摩爾質量 M 可表示為：M=x1M1+x2M2其中 x1 和 x2 為各組分的摩爾分數。當某一組分（如氦氣）的濃度變化時，M 隨之改變，導致聲速 v 變化。第一熱研的 US 系列傳感器通過高精度測量聲速，結合預設的氣體成分數據庫，實時計算目標氣體濃度。 二、核心檢測技術：飛行時間法（ToF）
第一熱研采用單程傳播時間測量和雙程時間差法實現聲速測量：
單程傳播時間測量在固定長度的管道兩端安裝超聲波換能器，發射端發出高頻超聲波（通常為 1-5 MHz），接收端記錄信號到達時間。通過公式 v=L/t（L 為管道長度，t 為傳播時間）計算聲速。 雙程時間差法交替測量超聲波在順流和逆流方向的傳播時間差 Δt，結合流體流速 u 進行修正：Δt=v2?u22Lu當流速 u 較小時，可簡化為 v≈L/t1t2（t1 和 t2 分別為順流和逆流時間）。這種方法能有效消除流速對聲速測量的干擾，適用于動態氣體流場。
第一熱研的 US-100 系列模塊通過上述方法實現高精度聲速測量，例如 US-100-12VS 型的響應速度可達 90% 響應約 10 秒，線性度控制在 ±1% FS 以內。
三、溫度補償與動態校準
1. 溫度對聲速的影響
聲速與溫度的平方根成正比，溫度每變化 1℃，聲速約改變 0.18%。第一熱研通過內置 RTD（電阻溫度檢測器）實時監測氣體溫度，并采用以下補償方法：
例如，US-100 模塊通過溫度傳感器自動校正測距結果，確保在 - 20~+70℃范圍內的測量精度。
2. 自動校準機制
第一熱研的 US-I T-P 等型號支持兩點校準法：
四、多組分氣體檢測的實現邏輯
1. 二元混合氣體分析
對于兩種已知氣體的混合（如 H2/N2），第一熱研通過以下步驟計算濃度：
測量混合氣體的聲速 vmix；
根據聲速與摩爾質量的關系，聯立方程：
vmix=x1M1+x2M2γRT
結合已知的 γ 和 M1,M2，解算 x1（目標氣體濃度）。
例如，US-100 系列可測量 He/N?混合氣體中 0~50% 的氦氣濃度，分辨率達 0.1%。
2. 復雜氣體環境的處理
當混合氣體中存在第三組分（如水分、粉塵）時，第一熱研建議在傳感器入口前安裝過濾器，并通過以下方式減少干擾：
五、抗干擾與信號處理技術
1. 差分信號傳輸
第一熱研的傳感器采用差分信號傳輸技術，通過兩條信號線傳輸幅度相等、極性相反的信號。接收端通過差分放大器提取差值，有效抑制共模噪聲（如電磁干擾、地電位波動），使信噪比提升 10~20 dB。
2. 數字濾波與降噪
通過數字信號處理（DSP）技術，對原始信號進行低通濾波、快速傅里葉變換（FFT）等處理，去除高頻噪聲和環境干擾。例如，US 系列傳感器通過動態閾值檢測，可識別低至 0.02 μs 的聲速變化。
六、典型產品與應用場景
1. 代表型號參數
| 型號 | 測量范圍 | 分辨率 | 溫度范圍 | 響應時間 | 精度 |
|---|
| US-100-5VS | 0~50% He/N? | 0.1% | -20~+50℃ | 10 秒 | ±1% FS |
| US-II T-P | 0~100% H?/N? | 0.02% | -10~+60℃ | 5 秒 | ±0.5% FS |
| US-II T-SH | 0~100% He | 0.05% | -20~+80℃ | 3 秒 | ±0.3% FS |
（數據來源：第一熱研及代理商技術文檔）
2. 應用領域
半導體制造：在氦氣回收系統中實時監測 He/N?混合氣體濃度，確保循環利用效率；
醫療設備：檢測麻醉氣體（如 N?O/O?）濃度，保障手術安全；
鋼鐵冶金：分析高爐煤氣中的 CO/CO?比例，優化燃燒過程；
科研領域：通過聲速變化研究氣體吸附 / 解吸過程中的熱力學行為。
七、技術優勢與創新
長壽命免維護：無運動部件和消耗性元件，US 系列傳感器壽命可達 5 年以上；
微型化設計：US-100 模塊體積僅為 100×50×25.6 mm，可集成到便攜式設備中，功耗低至 0.5W；
自診斷功能：內置看門狗和傳感器健康監測模塊，實時檢測換能器老化或電路故障，并通過報警輸出提示維護。
八、局限性與應對策略
干擾氣體的影響當混合氣體中存在未校準的氣體（如氬氣）時，聲速計算會產生偏差。第一熱研建議通過預處理（如氣體分離）或多傳感器融合（如結合紅外檢測）解決。 高壓環境的限制在高于 100 kPa 的壓力下，氣體分子間作用力增強，理想氣體定律不再適用。第一熱研的 US-II T-SH 型號專門設計用于高壓氦氣檢測，通過修正狀態方程提高精度。 溫度快速變化的補償在溫度波動劇烈的場景（如熔爐出口），傳統線性補償模型可能失效。第一熱研通過動態更新校準曲線或引入神經網絡算法，實現更精確的實時修正。
九、總結
日本第一熱研的超聲波氣體濃度檢測技術通過聲速測量、溫度補償和自動校準的有機結合，實現了高精度、長壽命的氣體分析。其核心優勢在于對二元混合氣體的快速響應和抗干擾能力，尤其在半導體、醫療等領域具有不可替代的應用價值。隨著材料科學和算法優化的持續進步，該技術有望在更多復雜氣體環境中得到拓展。
